CN112426224B - 一种毫米级超自由度精准智能微创设备及系统 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供一种毫米级超自由度精准智能微创设备及系统，涉及医疗设备领域，微创设备包括：微创机器人、协作机器人和外部定位视觉设备，微创机器人包括进针机构和进针控制机构，进针机构包括钢丝、内针、外针和微型视觉设备，内针设置于外针的内部，并与外针间隙配合；内针的自由端设置有可弯曲的弯曲关节机构，钢丝设置于内针的内部，并与弯曲关节机构连接；微型视觉设备设置于内针的自由端的内部。通过使用微型视觉设备进行体内导航定位，既提高了导航定位精度，又减少CT辐射；通过使用进针控制机构对进针机构进行控制，进一步提高导航定位精度，操作更方便，极大降低了传统微创手术的手术风险和微创伤，提升了病人的治愈率。

Description

一种毫米级超自由度精准智能微创设备及系统

技术领域

本发明涉及医疗设备领域，尤其涉及一种毫米级超自由度精准智能微创设备及系统。

背景技术

常见的微创手术方式主要包括吸取、切除、缝合等典型方式，但是周围神经系统的微创手术种类繁杂、难度大、技术攻坚困难，微创手术典型难题主要包含病理辨识准确度低、精准微创定位不足、微创器械体积大、刚性器械的柔性操作困难、智能微创技术缺乏、远程手术技术实现艰巨，导致了无数患者的误诊、复诊、康复困难、身体损伤大和经济损失多，特别是多发性病症微创治疗过程的“微创”远没有达到病人的基本需要。

现有的微创手术在实施过程的主要问题包括:病灶准确定位困难、交互式进针技术缺乏，柔性路径的适应性手术技术缺乏，现有ISO微创标准的直径5mm创伤性太大、低于3mm直径的微细病灶很难确诊治疗，急性神经疾病不能及时微创治疗等，并且CT辐射太大，内部视觉导航缺乏，定位不准确。上述典型普遍问题导致了大量的瘫痪乃至死亡发生。因此，亟需一种能够实现低CT辐射的高精度导航定位的微创手术装置。

发明内容

本发明实施例提供一种毫米级超自由度精准智能微创设备及系统，用以解决现有技术中的微创手术装置存在操作不便，辐射高和定位精度低的问题。

本发明实施例提供一种毫米级超自由度精准智能微创设备，所述微创设备包括：

微创机器人，所述微创机器人包括进针机构和进针控制机构，所述进针机构包括钢丝、内针、外针和微型视觉设备，所述内针设置于所述外针的内部并与所述外针间隙配合，所述内针的自由端设置有可弯曲的弯曲关节机构，所述钢丝设置于所述内针的内部并与所述弯曲关节机构连接，所述微型视觉设备设置于所述内针的自由端内部；所述进针控制机构用于控制所述外针进行直线运动，控制所述内针进行直线运动，控制所述钢丝的张紧度，控制所述内针进行轴向转动；

协作机器人，用于驱动所述微创机器人在三维空间内运动。

根据本发明一个实施例的毫米级超自由度精准智能微创设备，所述进针控制机构包括外针直线运动机构、内针直线运动机构、内针弯曲控制机构和内针转动控制机构，所述外针直线运动机构分别与所述内针直线运动机构、所述外针的固定端连接，所述外针直线运动机构用于驱动所述外针和所述内针直线运动机构做直线运动；所述内针直线运动机构分别与所述内针弯曲控制机构、所述内针转动控制机构、所述内针的固定端连接，所述内针直线运动机构用于驱动所述内针弯曲控制机构、所述内针转动控制机构、所述内针做直线运动；所述内针转动控制机构与所述内针连接，所述内针转动控制机构用于驱动所述内针进行轴向转动；所述内针弯曲控制机构与所述钢丝连接。

根据本发明一个实施例的毫米级超自由度精准智能微创设备，所述外针直线运动机构为第一丝杆模组，所述内针直线运动机构为第二丝杆模组，所述第一丝杆模组的固定基板与所述协作机器人连接，所述第一丝杆模组的滑块与所述第二丝杆模组的固定基板连接，所述第二丝杆模组的滑块上设置有连接件。

根据本发明一个实施例的毫米级超自由度精准智能微创设备，所述内针弯曲控制机构包括第一电机、涡轮和蜗杆，所述第一电机设置于所述连接件上，所述第一电机的转轴与所述涡轮连接，所述蜗杆可转动地设置于连接件上，所述蜗杆与所述涡轮啮合，所述钢丝远离所述弯曲关节机构的一端缠绕于所述蜗杆上。

根据本发明一个实施例的毫米级超自由度精准智能微创设备，所述内针转动控制机构包括第二电机、第一传动件和第二传动件，所述第二电机设置于所述连接件上，所述第一传动件与所述第二电机的转轴连接，所述第二传动件可转动设置于所述连接件上，所述内针的固定端套设于所述第二传动件的中心孔内，所述第二传动件与所述第一传动件转动配合，当所述第一传动件带动所述第二传动件转动时，所述第二传动件带动所述内针轴向转动。

根据本发明一个实施例的毫米级超自由度精准智能微创设备，所述进针控制机构还包括内针导向套和外针导向套，所述外针导向套可活动地套设于所述外针的固定端，所述内针导向套可活动地套设于所述内针的固定端。

根据本发明一个实施例的毫米级超自由度精准智能微创设备，所述微创设备还包括外部定位视觉设备，所述外部定位视觉设备用于为所述协作机器人的运动以及所述进针机构进行穿刺提供体外导航定位。

根据本发明一个实施例的毫米级超自由度精准智能微创设备，所述微型视觉设备包括成像模组、多个光源和热缩管，所述成像模组和多个所述光源设置于所述热缩管内部，多个所述光源布置于所述成像模组的外周。

根据本发明一个实施例的毫米级超自由度精准智能微创设备，所述微创设备还包括成像终端，所述成像终端包括成像采集模块、成像解码模块和成像显示器，所述成像采集模块与所述成像模组电连接，所述成像解码模块分别与所述成像采集模块、所述成像显示器电连接。

本发明实施例还提供一种毫米级超自由度精准智能微创系统，所述微创系统包括控制设备，还包括如上所述的毫米级超自由度精准智能微创设备。

本发明实施例提供的毫米级超自由度精准智能微创设备通过使用微型视觉设备进行体内导航定位，既提高了导航定位精度，又减少CT辐射；通过使用进针控制机构对进针机构进行控制，进一步提高导航定位精度，操作更方便，极大降低了传统微创手术的手术风险和微创伤，提升了病人的治愈率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种毫米级超自由度精准智能微创设备的结构示意图；

图2为图4中A处的局部放大结构示意图；

图3为本发明实施例提供的内针和外针的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的微创机器人的结构示意图；

图5为本发明实施例提供的微型视觉设备的结构示意图。

附图标记：

1、协作机器人；2、微创机器人；3、外部定位视觉设备；4、第一丝杆模组；5、第二丝杆模组；6、内针转动控制机构；7、内针弯曲控制机构；8、内针导向套；9、外针导向套；10、外针；11、内针；12、微型视觉设备；13、成像模组；14、光源；15、热缩管；16、成像采集模块；17、成像解码模块；18、成像显示器；19、第一电机；20、涡轮；21、蜗杆；22、第二电机；23、主动齿轮；24、从动齿轮；25、钢丝。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

下面结合图1-图5描述本发明实施例的毫米级超自由度精准智能微创设备及系统。

图1示例了一种毫米级超自由度精准智能微创设备的结构示意图，如图1所示，毫米级超自由度精准智能微创设备包括：微创机器人2和协作机器人1，协作机器人1用于驱动微创机器人2在三维空间内运动，协作机器人1可以是多轴机械臂或者多关节机械臂，具体实施时，本领域技术人员可根据实际需要进行确定。

图2示例了图4中A处的局部放大结构示意图，图3示例了本发明实施例提供的内针和外针的结构示意图，如图2和3所示，微创机器人2包括进针机构和进针控制机构，进针机构包括钢丝25、内针11、外针10和微型视觉设备12，外针10和内针11均为管状结构，内针11采用柔性材料制成，内针11设置于外针10的内部，内针11与外针10间隙配合，内针11的自由端设置有可弯曲的弯曲关节机构，弯曲关节机构的具体形式可以为多关节弯曲机构或者柔性弯曲机构，具体实施时，本领域技术人员可根据实际需要进行确定。设置弯曲关节机构可使内针11的自由端发生弯曲，从而更容易地进入难以到达的区域，操作更灵活，有效提高手术效率。钢丝25设置于内针11的内部并与弯曲关节机构连接，钢丝25用于控制弯曲关节机构弯曲和伸直。微型视觉设备12设置于内针11的自由端的内部，微型视觉设备12可为内针11在人体内部提供实时精准的导航定位。

需要说明的是，本实施例中的自由端是指针体进入人体内部的一端，固定端是指留在人体外部与进针控制机构连接的一端。

图5示例了本发明实施例提供的微型视觉设备的结构示意图，如图5所示，微型视觉设备12固定于内针11的内部，微型视觉设备12包括成像模组13、多个光源14和热缩管15，成像模组13和多个光源14设置于热缩管15内部，多个光源14布置于成像模组13的外周。热缩管15的端部开口以确保可使成像模组13的镜头部分露出，热缩管15将成像模组13和光源14包裹于内部，可起到密封和保护的作用。本实施例中光源14采用光纤光源，光纤光源的外径很小，不会占用较大的空间，同时光纤光源的发光体(灯珠)设置于体外，体内的光纤光源无需供电，工作过程也不会发热，避免漏电或发热给患者的组织带来伤害。成像模组13用于获取体内的图像信息，可为内针11提供实时精准导航定位，成像模组13的尺寸很小，因此内针11的尺寸可以做的很小，实现了优于2mm创伤的精准微创，极大的提高了导航定位精度，极大提升了一次进针的微创手术成功率，极大降低了病人手术并发症状，提升了病人的治愈率，加快了微创康复速度。

进一步地，微创设备还包括成像终端，成像终端包括成像采集模块16、成像解码模块17和成像显示器18，成像采集模块16与成像模组13电连接，成像解码模块17分别与成像采集模块16、成像显示器18电连接。将微型视觉设备12嵌入于内针11的内部，实现了实时成像和紧贴观察物体成像的性能，区别于传统内窥镜焦距无法超微距和贴壁面成像的特点，微型视觉设备12能够较好地随着微创进针进行实时近壁面成像导航定位。相较于传统的微创技术采用CT定位技术，本发明实施例提供的毫米级超自由度精准智能微创设备通过使用微型视觉设备12进行体内导航定位，既提高了导航定位精度，又减少CT辐射；通过使用进针控制机构对进针机构进行控制，进一步提高导航定位精度。

图4示例了本发明实施例提供的微创机器人的结构示意图，如图4所示，进针控制机构包括外针直线运动机构、内针直线运动机构、内针弯曲控制机构7和内针转动控制机构6，外针直线运动机构分别与内针直线运动机构、外针10的固定端连接，外针直线运动机构用于驱动外针10和内针直线运动机构做直线运动；本实施例中外针直线运动机构为第一丝杆模组4，第一丝杆模组4的固定基板与协作机器人1连接；为了方便拆卸和安装，第一丝杆模组4的固定基板与协作机器人1通过螺栓连接。第一丝杆模组4的固定基板的一端设置有第一连接片，第一连接片上设置有通孔，外针导向套9嵌入于第一连接片的通孔内，外针导向套9可活动地套设于外针10的固定端，外针10可在外针导向套9的导向下实现高刚度精准运动。

内针直线运动机构用于驱动内针弯曲控制机构7、内针转动控制机构6、内针11做直线运动，本实施例中内针直线运动机构为第二丝杆模组5，第二丝杆模组5的固定基板与第一丝杆模组4的滑块连接。第二丝杆模组5的固定基板的一端设置有第二连接片，第二连接片上设置有通孔，第二连接片的通孔与第一连接片的通孔处于同一直线上。内针导向套8嵌入于第二连接片的通孔内，内针导向套8可活动地套设于内针11的固定端，内针导向套8还与外针10的固定端连接。第二丝杆模组5的滑块上设置有连接件，连接片用于安装内针弯曲控制机构7和内针转动控制机构6。当第一丝杆模组4的电机转动时，第一丝杆模组4驱动外针10和第二丝杆模组5沿外针10所在的直线方向做直线运动；当第二丝杆模组5的电机转动时，第二丝杆模组5驱动内针弯曲控制机构7、内针转动控制机构6、内针11沿外针10所在的直线方向做直线运动，从而实现内针11的自由端从外针10的自由端伸出与缩回。针系在体外时，内针11的自由端需要缩回外针10内部，进入体内的预定位置后，内针11的自由端才从外针10的自由端伸出。由于丝杆模组的精度较高，使用丝杆模组驱动内针11和外针10运动，可有效提高穿刺精度。

内针弯曲控制机构7包括第一电机19、涡轮20和蜗杆21，第一电机19设置于连接件上，第一电机19的转轴与涡轮20连接，蜗杆21可转动地设置于连接件上，蜗杆21的轴线与外针10所在直线垂直，蜗杆21与涡轮20啮合，钢丝25远离弯曲关节机构的一端缠绕于蜗杆21上。当第一电机19转动时，第一电机19带动蜗杆21轴向转动，钢丝25缠绕于蜗杆21上，使钢丝25处于张紧状态，钢丝25带动弯曲关节机构弯曲，进而使得内针11的自由端发生弯曲；当第一电机19反向转动时，第一电机19带动蜗杆21反向转动，蜗杆21上缠绕的钢丝25被释放，钢丝25从张紧状态转化为松弛状态，弯曲关节机构变直，进而使得内针11的自由端变直。

需要说明是，在调节内针弯曲控制机构7的输出扭矩时，可通过改变涡轮20与蜗杆21的减速比来改变内针弯曲控制机构7的输出扭矩，但是内针弯曲控制机构7的具体形式并不限定于此，也可使用直线电机或丝杆组件来驱动钢丝25做直线运动，同样可以控制弯曲关节机构弯曲和变直。

内针转动控制机构6用于驱动内针11进行轴向转动，内针转动控制机构6包括第二电机22、第一传动件和第二传动件，第二电机22设置于连接件上，第一传动件与第二电机22的转轴连接，第二电机22的转轴与外针10所在的直线平行。第二传动件可转动设置于连接件上，内针11的固定端套设于第二传动件的中心孔内。本实施例中第一传动件为主动齿轮23，第二传动件为从动齿轮24，主动齿轮23与从动齿轮24啮合，当主动齿轮23带动从动齿轮24转动时，从动齿轮24带动内针11轴向转动，使得内针11的自由端可以朝向任意方向进行弯曲，方便对内针11的姿态进行调整，提高了手术效率。

根据本发明的实施例，微创设备还包括外部定位视觉设备3，外部定位视觉设备3与协作机器人1相对设置，外部定位视觉设备3用于为协作机器人1的运动以及进针机构进行穿刺提供体外导航定位，相较于上述实施例未设置外部定位视觉设备3的微创设备，本实施例的微创设备导航定位更精确，操作更方便。

本发明还提供一种毫米级超自由度精准智能微创系统，毫米级超自由度精准智能微创系统包括控制设备和毫米级超自由度精准智能微创设备，微创设备为上述实施例所述的微创设备。控制设备用于对协作机器人1、外部定位视觉设备3以及微创机器人2进行联动控制，最终实现精准穿刺定位。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.一种毫米级超自由度精准智能微创设备，其特征在于，所述微创设备包括：

微创机器人，所述微创机器人包括进针机构和进针控制机构，所述进针机构包括钢丝、内针、外针和微型视觉设备，所述内针设置于所述外针的内部，并与所述外针间隙配合；所述内针的自由端设置有可弯曲的弯曲关节机构，所述钢丝设置于所述内针的内部，并与所述弯曲关节机构连接；所述微型视觉设备设置于所述内针的自由端的内部；所述进针控制机构用于控制所述外针进行直线运动，控制所述内针进行直线运动，控制所述钢丝的张紧度，控制所述内针进行轴向转动；

协作机器人，用于驱动所述微创机器人在三维空间内运动；

所述进针控制机构还包括内针导向套和外针导向套，所述外针导向套可活动地套设于所述外针的固定端，所述内针导向套可活动地套设于所述内针的固定端。

2.根据权利要求1所述的毫米级超自由度精准智能微创设备，其特征在于，所述进针控制机构包括外针直线运动机构、内针直线运动机构、内针弯曲控制机构和内针转动控制机构，所述外针直线运动机构分别与所述内针直线运动机构、所述外针的固定端连接，所述外针直线运动机构用于驱动所述外针和所述内针直线运动机构做直线运动；所述内针直线运动机构分别与所述内针弯曲控制机构、所述内针转动控制机构、所述内针的固定端连接，所述内针直线运动机构用于驱动所述内针弯曲控制机构、所述内针转动控制机构、所述内针做直线运动；所述内针转动控制机构与所述内针连接，所述内针转动控制机构用于驱动所述内针进行轴向转动；所述内针弯曲控制机构与所述钢丝连接。

3.根据权利要求2所述的毫米级超自由度精准智能微创设备，其特征在于，所述外针直线运动机构为第一丝杆模组，所述内针直线运动机构为第二丝杆模组，所述第一丝杆模组的固定基板与所述协作机器人连接，所述第一丝杆模组的滑块与所述第二丝杆模组的固定基板连接，所述第二丝杆模组的滑块上设置有连接件。

4.根据权利要求3所述的毫米级超自由度精准智能微创设备，其特征在于，所述内针弯曲控制机构包括第一电机、涡轮和蜗杆，所述第一电机设置于所述连接件上，所述第一电机的转轴与所述涡轮连接，所述蜗杆可转动地设置于连接件上，所述蜗杆与所述涡轮啮合，所述钢丝远离所述弯曲关节机构的一端缠绕于所述蜗杆上。

5.根据权利要求4所述的毫米级超自由度精准智能微创设备，其特征在于，所述内针转动控制机构包括第二电机、第一传动件和第二传动件，所述第二电机设置于所述连接件上，所述第一传动件与所述第二电机的转轴连接，所述第二传动件可转动设置于所述连接件上，所述内针的固定端套设于所述第二传动件的中心孔内，所述第二传动件与所述第一传动件转动配合，当所述第一传动件带动所述第二传动件转动时，所述第二传动件带动所述内针轴向转动。

6.根据权利要求1至5任一项权利要求所述的毫米级超自由度精准智能微创设备，其特征在于，所述微创设备还包括外部定位视觉设备，所述外部定位视觉设备用于为所述协作机器人的运动以及所述进针机构进行穿刺提供体外导航定位。

7.根据权利要求6所述的毫米级超自由度精准智能微创设备，其特征在于，所述微型视觉设备包括成像模组、多个光源和热缩管，所述成像模组和多个所述光源设置于所述热缩管内部，多个所述光源布置于所述成像模组的外周。

8.根据权利要求7所述的毫米级超自由度精准智能微创设备，其特征在于，所述微创设备还包括成像终端，所述成像终端包括成像采集模块、成像解码模块和成像显示器，所述成像采集模块与所述成像模组电连接，所述成像解码模块分别与所述成像采集模块、所述成像显示器电连接。

9.一种毫米级超自由度精准智能微创系统，所述微创系统包括控制设备，其特征在于，还包括权利要求1至8任一项权利要求所述的毫米级超自由度精准智能微创设备。

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